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Weltraumüberwachung mit GESTRA

Unser aktueller Kurzfilm mit Untertiteln.

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GESTRA – Neue Fähigkeiten in der Weltraumüberwachung in Deutschland

Die Langversion unseres GESTRA-Films von 2018

Weltraum

Weltraumüberwachung mit GESTRA

Die Integrationsarbeiten und die Prüfung der einzelnen Subsysteme sind im vollen Gange. Im Jahr 2019 wird GESTRA (German Experimental Space Surveillance and Tracking Radar) an den finalen Aufstellungsort in Koblenz transportiert, um dort als Gesamtsystemgetestet und kalibriert zu werden. 2020 soll das System zum operativen Betrieb an das Weltraumlagezentrum (WRLageZ) in Uedem übergeben werden. Einerseits wird damit das WRLageZ über einen leistungsstarken Radarsensor zur Weltraumüberwachung verfügen, andererseits verspricht GESTRA auch anderen Forschungseinrichtungen in Deutschland wertvolle Daten zur wissenschaftlichen Nutzung.

Visualisierung des Track-While-Scan-Mode.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Visualisierung des Track-While-Scan-Mode.

GESTRA Sendeplank bestückt mit drei Hochleistungs-Sendemodule.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

GESTRA Sendeplank bestückt mit drei Hochleistungs-Sendemodule.

Blick auf das GESTRA Hochleistungs-Sendemodul mit Pulsleistung >1000 W.
© Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Blick auf das GESTRA Hochleistungs-Sendemodul mit Pulsleistung >1000 W.

Integration und Monitoring der Radarinfrastruktur

Aufgrund der hohen Sendeleistung wird das teilmobile System quasi-monostatisch ausgelegt, d. h. das Sendesystem und das Empfangssystem werden jeweils in einen eigenen Container mit 18 x 4 x 4 m3 Größe integriert. Der Einbau der Subsysteme in die Container erfolgte in einer Reihenfolge entsprechend den räumlichen Randbedingungen. Angefangen vom Einbau des Energieverteilschrankes mit all seinen Sicherheitsrelais‘ und Hochstromschaltern folgte die Integration des Schwerlast-Scherenhubtisches, des ölfreien Kompressors und der Klimaanlage einschließlich ihrer Belüftungs- und Absaugverrohrung in beide Container. Anschließend wurden die Energieversorgungseinheiten für die Sende- und Empfangsantenne installiert und in das Steuerungssystem integriert. Einen sehr komplexen Integrationsprozess bildete der Einbau des Kühlsystems in beide Container. Die Flüssigkeitskühlsysteme der Sende- und Empfangseinheit bestehen aus einem Primärkühlkreislauf mit komplexer Kaltwasseraufbereitung und Luftrückkühlung sowie einem Sekundärkühlkreislauf mit abgestimmtem Pumpensystem zur Kühlung der Antenne, des Sendetransformators, des Radarprozessors und der Klimaanlage. Nach Integration aller zugehörigen Kühl- und Entfeuchtungsaggregate erfolgte die Verrohrung dieser Teilsysteme. Nur durch eine detaillierte 3D-Systemmodellierung aller Geräte und Verrohrungen war es möglich, für die anschließende Integration der Kabeltrassen an den Containerdecken zur elektrischen Speisung der Teilsysteme das passende Raumvolumen zu garantieren. Dieser mehrstöckige Trassenaufbau ermöglicht ebenfalls die transportgerechte Raumführung der Wasser- und Pressluftschläuche zu den Geräten.

Die Integration des Radarprozessors im 3-Rack-Format mit 45 kW Verlustleistung und integrierter Feuerlöschmöglichkeit ermöglichte die frühzeitige Analyse der Rechenkapazität zum Test der Signalverarbeitungsalgorithmen. Nachdem alle erwähnten Subsysteme elektrisch angeschlossen wurden, erfolgten die Implementierung und der Test aller Überwachungs- und Sensorsysteme in diesen Geräten. Dabei sind nachdrücklich die zuverlässige Klimatisierung und Entfeuchtung der Betriebsräume zu nennen, damit bei niedrigen Temperaturen keine Kondenswassereffekte auftreten. Das derzeitige ständige Monitoring aller Betriebszustände und Umweltparameter aller eingebauten Geräte mit Hilfe eines optimierten Überwachungsprogramms gibt einen Einblick in die realisierte Produktsicherheit der Radarinfrastruktur. Der Einbau des Antennenfrontends mit Positionierer in beide Container erfolgt im März 2019.

Derzeit finden die Integrationsarbeiten zum Aufbau der Empfangsmodule und anschließend der Empfangsplanks statt. Es folgen die Sendeplankbestückungen und die fortlaufenden Antennenintegrationen mit sämtlichen Versorgungseinheiten. Dabei ist hervorzuheben, dass die sehr komplexen, 130 cm langen Backplane-Platinen, welche zur Speisung der Planks mit hohem Herstellungsrisiko entwickelt wurden, vollständig geliefert und getestet für den Einbau zur Verfügung stehen.

Signalverarbeitung

Über die Optimierung der physikalischen Eigenschaften des Radars hinaus soll die Detektionsfähigkeit von GESTRA vor allem durch die Signalintegration über möglichst viele Pulse verbessert werden. Hierzu wird ein Modell des Zielsignals für alle relevanten Charakterisierungsgrößen parametrisiert und in den zu erwartenden Wertebereichen üblicher Zielobjekte im Low Earth Orbit einer angepassten Signalverarbeitung unterzogen. Durch die anschließende Schwellwertentscheidung und Initiierung einer Bahnverfolgung des Objektes werden die Trackletinformationen abgeleitet, welche im Weltraumlagezentrum zu einer vollständigen Spur synthetisiert werden.

Fernkontrolle von GESTRA

Im Regelfall soll GESTRA ohne Vorort-Personal aus der Ferne vom nationalen WRLageZ aus betrieben werden. Dementsprechend sind alle Komponenten konsequent auf Fernwartbarkeit ausgelegt worden, bis hin zur Möglichkeit eines kompletten Neustarts aus dem energielosen Zustand heraus. Für die Sicherheit ist dabei gesorgt: eine BSI-zertifizierte verschlüsselte End-zu-End-Kommunikation sorgt für abhörsichere Verbindungen, eine Drei-Netze-Topologie sowie eine State-Of-The-Art Firewall runden das Gesamtkonzept ab.

Zum Kennenlernen der späteren Betriebsabläufe wurde 2018 ein auf den endgültigen Netzwerkprotokollen beruhender Simulator der GESTRA-Kommando- und Datenschnittstellen an die zukünftigen Nutzer geliefert, so dass ihre Missionsplanungs- und Auswertesoftware parallel zur Fertigstellung der Anlagenhardware für den operationellen Betrieb vorbereitet werden kann.